基于CPLD的CCD信號(hào)發(fā)生器的研究

1、引言

CCD (Charge Coupled Devices)電荷藕合器件是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體器件。目前CCD作為光電傳感器由于其具有體積小、重量輕、功耗小、工作電壓低和抗燒毀 等優(yōu)點(diǎn)以及在分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、實(shí)時(shí)傳輸、自掃描等特性，廣泛地應(yīng)用于攝像器 材、氣象、航天航空、軍事、醫(yī)療以及工業(yè)檢測(cè)等眾多領(lǐng)域。

我們需要對(duì)CCD相機(jī)所獲取的大量高速圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，以便做后續(xù)處理和應(yīng) 用，而進(jìn)行這一系列信號(hào)處理之前，目標(biāo)信號(hào)的獲取及所獲信號(hào)的質(zhì)量關(guān)系到調(diào)試整個(gè)相機(jī) 系統(tǒng)的關(guān)鍵。在調(diào)試相機(jī)系統(tǒng)時(shí)，由于調(diào)試的系統(tǒng)總有一些不完善的因素，同時(shí)又因?yàn)槎啻? 的調(diào)試也會(huì)增加CCD芯片的風(fēng)險(xiǎn)成本，尤其對(duì)于比較昂貴的CCD芯片，調(diào)試中如若經(jīng)常使用將 會(huì)帶來(lái)?yè)p壞的風(fēng)險(xiǎn)，因此在調(diào)試過(guò)程中對(duì)CCD芯片輸出信號(hào)的分析和模擬就成為一項(xiàng)極其重 要的工作。本文設(shè)計(jì)了一種基于CPLD的可編程寬頻、高精度CCD信號(hào)發(fā)生器。充分利用CPLD 的可編程性，模擬出CCD在各種復(fù)雜環(huán)境下的采集信號(hào)，同時(shí)滿足系統(tǒng)對(duì)波形和時(shí)序的要求， 輸出信號(hào)頻率達(dá)到11MHz。

2、分析CCD 輸出信號(hào)的特點(diǎn)

一個(gè) CCD 信號(hào)的輸出序列由復(fù)位脈沖開(kāi)始，當(dāng)FET 開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，圖1 中的傳感器電容上的電壓為初始的參考電壓值，這個(gè)參考電壓值被稱為復(fù)位饋通電平。經(jīng)過(guò)一定的饋通延遲時(shí) 間后，這個(gè)電壓值降低，成為真正的復(fù)位電平。此時(shí)，F(xiàn)ET 開(kāi)關(guān)打開(kāi)，則像素電荷被轉(zhuǎn)移到 這個(gè)電容上，相應(yīng)的改變了電容上的電壓值。這個(gè)電壓值就是參考電平、像素電平以及一些 噪聲疊加而成的。當(dāng)CCD 開(kāi)始工作讀取有效信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)在每個(gè)復(fù)位信號(hào)的上升沿時(shí)復(fù) 位，即在輸出信號(hào)上出現(xiàn)復(fù)位干擾脈沖1,然后回到參考電平2，開(kāi)始讀取積分得來(lái)的是像元 信號(hào)3。實(shí)際像素寬度為3 的寬度，1、2、3 的寬度和為一個(gè)像素周期，每個(gè)像素的信號(hào)幅 度為2 和3 的高度差，這些都是CCD 輸出信號(hào)的重要參數(shù)。CCD 輸出的信號(hào)中包含了較大的 直流分量。直流偏置電壓是CCD 正常工作所不可缺少的，其值在幾伏到十幾伏范圍內(nèi)變化， 并且只消耗幾毫安以下的電流，很容易由穩(wěn)壓電源必要時(shí)經(jīng)電阻或電位器分壓以及電容濾波 得到。

3、硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)字信號(hào)發(fā)生模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和輸出處理模塊3部分構(gòu)成。選取CPLD以構(gòu)成 信號(hào)發(fā)生模塊，充分利用它的可編程性，構(gòu)造出CCD在各種復(fù)雜環(huán)境下的采集數(shù)據(jù)，同時(shí)生 成與數(shù)據(jù)信號(hào)相匹配的控制信號(hào)，控制下級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的工作。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊接收上級(jí)發(fā) 送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，在控制信號(hào)的控制下將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。由于該模塊的 轉(zhuǎn)換輸出為電流，所以還需要增加一個(gè)轉(zhuǎn)換模塊將電流轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需要的電壓信號(hào)，同時(shí) 為了滿足系統(tǒng)對(duì)信號(hào)精度的要求，還需要增加有源和無(wú)源濾波電路模塊。系統(tǒng)框圖如圖2所 示，晶振作為CPLD的時(shí)鐘信號(hào)(clk)輸入，其它的信號(hào)均由其產(chǎn)生。

主要工作分為以下幾個(gè)方面：

(1)信號(hào)發(fā)生模塊 利用 VHDL 語(yǔ)言設(shè)計(jì)CCD 輸出圖像信號(hào)和時(shí)序控制信號(hào)，輸出信號(hào)有模擬出來(lái)的數(shù)字圖 像信號(hào)(10 位并行輸出)和時(shí)序控制信號(hào)，主要包括：相關(guān)雙采樣信號(hào)，A/D 采樣所需時(shí)序 脈沖信號(hào)，行、場(chǎng)同步脈沖信號(hào)等。

(2)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊 將模擬的數(shù)字信號(hào)經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到模擬信號(hào)，高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換器件一般都是電流查 分輸出，因此需要對(duì)輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。

(3)輸出處理模塊 對(duì)由 DAC 輸出的模擬信號(hào)，通過(guò)運(yùn)放將其轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號(hào)，并進(jìn)行進(jìn)一步處理得 到符合要求的CCD 輸出信號(hào)。

4、信號(hào)發(fā)生模塊CPLD 的設(shè)計(jì)

4.1選擇符合要求的CPLD

本設(shè)計(jì)采用LATTICE公司的ispLSI1032e CPLD，該芯片共有84個(gè)引腳，可用門(mén)數(shù)達(dá)6000 個(gè)，192個(gè)邏輯單元，可單獨(dú)配置為輸入、輸出及雙向工作方式，64個(gè)通用I/O口，其傳輸延 時(shí)為7.5ns，最高工作率高達(dá)125MHz,可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。該系統(tǒng)要求的輸出頻率為11MHz的相關(guān)雙采樣形式的CCD信號(hào)，并且對(duì)信號(hào)的時(shí)序有著嚴(yán)格的要求，選用66MHz的晶振，作為 CPLD的時(shí)鐘輸入。

4.2 程序設(shè)計(jì)

輸出的數(shù)字信號(hào)要提供給圖像傳感器的下一級(jí)采樣系統(tǒng)，符合一定的時(shí)序要求，采樣所 需時(shí)序脈沖信號(hào)，輸出信號(hào)有模擬CCD 輸出信號(hào)，相關(guān)雙采樣信號(hào)，故需要A/D 采行同步脈 沖信號(hào)等。信號(hào)發(fā)生模塊CPLD 部分，我們除了需要產(chǎn)生所有的數(shù)字信號(hào)之外，還需要為下 一部分的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊準(zhǔn)備好需要的數(shù)據(jù)和D/A 時(shí)鐘時(shí)序。

在利用 VHDL 語(yǔ)言在isp 環(huán)境下編程、仿真、調(diào)試，得到幾幅模擬灰度圖像和行、場(chǎng)同 步信號(hào)。輸出信號(hào)有數(shù)字圖像信號(hào)(10 位并行輸出)，D/A 的時(shí)鐘信號(hào)(clock1)和寫(xiě)信號(hào) (wrt)，相關(guān)雙采樣信號(hào)，行、場(chǎng)同步脈沖信號(hào)等。輸入時(shí)鐘信號(hào)(clk)為66MHz，行同步信 號(hào)row 用來(lái)保證輸出像元的同步。 它的輸出作為模擬CCD 數(shù)據(jù)產(chǎn)生和D/A 轉(zhuǎn)換控制模塊的時(shí)鐘輸入。模擬CCD 數(shù)據(jù)產(chǎn)生 模塊輸出的方波信號(hào)ccdout[9..0]，經(jīng)過(guò)DAC 變換后，生成CCD 的模擬輸出信號(hào)。

D/A 轉(zhuǎn) 換控制模塊生成DAC 的寫(xiě)信號(hào)WR 和時(shí)鐘信號(hào)CLK，要求D/A 在數(shù)據(jù)ccdout[9：0]的一個(gè)周 期內(nèi)采樣轉(zhuǎn)換高低電平各一次，需要wrt 和clock1 在ccdout[9..0]的高低電平處分別采樣, 為保證clock1 與wrt 信號(hào)的相位關(guān)系，令wrt 信號(hào)在clk 的上升沿變換，clock1 信號(hào)在clk 的下降沿變換，這樣就產(chǎn)生了我們所需要的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。

4.3 仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了采用VHDL硬件編程語(yǔ)言和CPLD產(chǎn)生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源信號(hào)，包括模擬CCD輸出 的模擬信號(hào)產(chǎn)生前的一組數(shù)字信號(hào)和用于下一級(jí)所需要的的控制時(shí)序，保證了系統(tǒng)輸出信號(hào) 的速度和相位關(guān)系。如圖3的仿真波形所示，ccdout[9..0]為模擬的圖像信號(hào)，shp、shd為 相關(guān)雙采樣信號(hào)，clock1、wrt為下一級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊D/A的控制信號(hào)。參考脈沖shp和視頻 脈沖shd在一個(gè)像元間隔分別采樣一次，最終輸出信號(hào)為采集到的參考電平與視頻電平之間 的差值，采用相關(guān)雙采樣技術(shù)可以濾除疊加在輸出信號(hào)上的復(fù)位噪聲。

5、數(shù)模轉(zhuǎn)換及輸出處理模塊

選用DAC2900 作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將模擬的灰度圖像經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換得到的模擬信號(hào)。DAC2900 是TI 公司生產(chǎn)的10 位高速D/A 器件，DAC2900 采用單一電源工作，電源范圍為3.3-5V， DAC2900 是電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它提供差分電流輸出，可支持單端或查分應(yīng)用。兩個(gè)輸出 電流的匹配確保在差分輸出結(jié)構(gòu)中提高其動(dòng)態(tài)性能，電流輸出可直接與輸出電阻相接，提供 兩個(gè)互補(bǔ)的單端電壓輸出，也可直接輸入變壓器。

DAC2900的模擬信號(hào)輸出可以采取單端輸出方式或者差分輸出方式。單端輸出方式連接 比較簡(jiǎn)單，但抗噪性能差，所以采取差分輸出方式，以盡量減少信號(hào)噪聲以及電磁的干擾。

尤其是采用差分輸出方式可以將所有偶次諧波通過(guò)正反兩個(gè)輸入信號(hào)基本上互相抵消。

DAC2900芯片資料提供的原理圖如圖4所示，配置方案的參考公式如下：

V 為DAC2900內(nèi)部+1.25V基準(zhǔn)電壓， SET R 為DAC2900從外部引入的配置電阻值，由公 式(1)可知，可以通過(guò)設(shè)定該電阻值來(lái)調(diào)節(jié)OUTFS I ,由公式(2)得出，從而可以控制電壓OUT V 的大小。本系統(tǒng)SET R 取值為2K Ω ，可以得到20mA的滿量程輸出。系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)換電壓范圍為 0-500mV，則輸出電阻F R 取值為25 Ω ，滿足系統(tǒng)要求。利用CADENCE軟件實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)，原 理圖如圖5所示：

6、提高信號(hào)精度

經(jīng)過(guò)上述的數(shù)字的信號(hào)生成，數(shù)模轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換，基本上可以得到所需要的頻率為11 MHz 的信號(hào)波形。信號(hào)上疊加了很多的高頻噪聲，無(wú)法滿足下級(jí)采樣系統(tǒng)對(duì)低噪聲的要求。因此 需要從PCB的布局、布線及器件的配置等多個(gè)角度人手，對(duì)信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)，把噪聲限制在10 mV 以下，主要從以下三方面來(lái)提升系統(tǒng)性能，抑制噪聲：

(1)電源濾波部分。電源噪聲的危害最大，通過(guò)對(duì)電源部分增加濾波電路來(lái)濾除電源 噪聲，同時(shí)因?yàn)榇笈月冯娙菘赡芤蛑C振而失效，所以在電路板上布置了一些比較小的旁路電 容陣列，CPLD器件的每個(gè)供電電壓管腳都要外接0.1μ ，電容來(lái)進(jìn)行濾波。

(2)由于系統(tǒng)工作在較高的頻率，所以要考慮到信號(hào)的完整性問(wèn)題，即解決信號(hào)的反 射及信號(hào)之間的串?dāng)_問(wèn)題。選取串聯(lián)端接的方法，并且將匹配電阻盡量靠近信號(hào)發(fā)送端。同 時(shí)將設(shè)計(jì)完成的PCB圖導(dǎo)入CADENCE軟件進(jìn)行仿真，確定最佳的串聯(lián)電阻值，實(shí)際系統(tǒng)通過(guò)串 聯(lián)匹配電阻后，信號(hào)的過(guò)沖和振鈴現(xiàn)象得到了有效的消除。

(3)增加模擬一階有源濾波電路。通過(guò)示波器發(fā)現(xiàn)生成信號(hào)上疊加有高頻噪聲，為了 濾除該噪聲，選用OPA680放大器構(gòu)成有源低通濾波電路。通過(guò)調(diào)節(jié)器件參數(shù)來(lái)改變?yōu)V波器的 低通頻率范圍，大大方便了系統(tǒng)調(diào)試，有效的濾除了高頻噪聲。在接插件管腳增加RC低通濾 波電路，實(shí)際證明對(duì)提高信號(hào)質(zhì)量有一定的改善作用。 7、結(jié)束語(yǔ) 編譯仿真通過(guò)后，在頂層用原理圖進(jìn)行綜合實(shí)現(xiàn)，然后燒入芯片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)際 運(yùn)行情況，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。如根據(jù)實(shí)際器件的延時(shí)特性.在設(shè)計(jì)中某些地方插入適當(dāng)?shù)难? 遲單元以保證各時(shí)延一致。本設(shè)計(jì)完成了CCD 輸出信號(hào)仿真,并給出最終仿真波形。我們對(duì) 設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器在不同配置數(shù)據(jù)下的輸出信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，信號(hào)的波形和信噪比都完全能 達(dá)到系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)，從而表明該設(shè)計(jì)方案是行之有效的。